兆歐表測量電壓報警顯示裝置的改造

李獻波

摘 要：手搖兆歐表沒有電壓顯示，制作一個手搖兆歐表實時電壓顯示設備作為向數字式兆歐表過渡的產品可以填補市場空白。本設計以100V手搖兆歐表為載體，以51單片機為控制芯片，制作一個能夠實時顯示兆歐表輸出測量電壓，并能夠在偏離要求電壓的10%時進行聲光報警的裝置。

關鍵詞：兆歐表；51單片機；電壓

中圖分類號：TB971 文獻標識碼：A

1 兆歐表內部結構及測量原理

如圖1所示，與搖表表針相連的有兩個線圈，一個同表內的附加電阻串聯；另一個和被測電阻串聯，然后一起接到手搖發電機上。當搖動發電機時，兩個線圈中同時有電流通過，在兩個線圈上產生方向相反的轉矩，表針就隨著兩個轉矩的合成轉矩的大小而偏轉某一角度，這個偏轉角度決定于兩個電流的比值，附加電阻是不變的，所以電流值僅取決于待測電阻的大小。由圖可知，搖表輸出電壓為直流，檢測其輸出電壓只需檢測G、E端即可。

2 總體設計思路

通過對兆歐表其輸出的電壓波形觀察，其G、E端輸出的電壓是脈動的直流電壓，要想對報警顯示裝置系統提供工作電壓，必須得經過降壓，需要一個電源開關模塊。兆歐表輸出的電壓信號是模擬變量，而模數轉換芯片ADC0809對輸入模擬量要求是信號單極性且電壓范圍是（0～5）V，這里需要一個采樣電路模塊。鑒于此，采用DC/DC降壓電路無疑是最好的選擇。采樣電路對輸出信號處理降壓，處理后傳送給ADC0809，經過A/D轉換，單片機等待轉換結束讀取轉換結果，然后通過數碼管動態顯示實時電壓值，然后再經過判斷輸出的是否在電壓值設定顯示電壓安全范圍（90V～110V）內，并存入單片機的數據存儲器中，當顯示的數值低于或高于這個范圍時，報警電路會發出聲光報警，引起操作者的注意，通過控制兆歐表的轉速，從而控制兆歐表的輸出的電壓值，這里就需要一個報警電路模塊，由LED和蜂鳴器組成。

3 系統硬件設計

3.1 電源轉換電路

由于兆歐表輸出電壓相對較高，需要將兆歐表輸出的高電壓轉化為能夠為單片機等元件使用的5V電壓，電路原理圖如圖2所示。

兆歐表輸出電壓直接輸入Viper12A內部MOSFET漏極，這就意味著IC供電電路和反饋回路是浮空的，其中IC供電電路由D3、C3組成，反饋回路由齊納二極管D1、C1組成，當漏極通電后，Viper內部電源起動電路使C3充電，當充電電壓達到閾值電壓——一般為16V，內部60kHz振蕩電路就會觸發內部觸發器，進而驅動MOSFET導通。L1和才C4開始充電，電感電流緩慢上升，當電流上升到通過反饋回路設定的值時，MOSFET關斷，L1、C4開始對外供電，這樣，反復充放，使得輸出電壓保持穩定值，這里為15V。最終15V電壓經過7805，降到5V為單片機和其他器件使用。

3.2 電壓采樣電路

電壓采樣電路負責將兆歐表輸出的高電壓按比例采集，然后送給A/D轉換器。采樣電路如圖3所示。

在給輸出電壓留出25V裕量的情況下，即輸出電壓范圍為0～125V，采樣電路輸出電壓為0～5V，所以采樣按25∶1的比例進行。由于單個電阻能承受的電壓有限，為防止電阻擊穿，采用多電阻串聯的方式。為提高采樣電路的輸入阻抗，避免對兆歐表取出相對較大電流，影響測量精度，所以使用LM258組成的電壓跟隨器。

3.3 A/D轉換電路

A/D轉換器采用常用的ADC0809芯片，其與單片機的連接方式如圖4所示。

IN7～IN0是模擬量輸入通道，本設計中將ADDB、ADDC直接接地，通過ADDA選通芯片第0通道；ALE是地址鎖存允許信號，對應ALE上跳沿，A、B、C地址狀態送入地址鎖存器中；START是轉換啟動信號。START上升沿時，復位ADC0809，START下降沿時啟動芯片，開始進行A/D轉換，在A/D轉換期間，START應保持低電平，本信號簡寫為ST；CLK是時鐘信號，ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳，通常使用頻率為500kHz的時鐘信號，本系統采用單片機IO口模擬時鐘信號；EOC是轉換結束信號，EOC=0，正在進行轉換，EOC=1，轉換結束。使用中該狀態信號即可作為查詢的狀態標志，又可作為中斷請求信號使用；D7～D0是數據輸出線，為三態緩沖輸出形式，可以和單片機的數據線直接相連，D0為最低位，D7為最高；OE是輸出允許信號，用于控制三態輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據，OE=0，輸出數據線呈高阻，OE=1，輸出轉換得到的數據；Vref是參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準，其典型值為+5V（Vref（+）=+5V，Vref（-）=-5V），本設計中Vref（+）=5V，Vref（-）=0V。

3.4 51單片機最小系統

51單片機的最小系統有復位電路、時鐘電路組成，考慮到便攜性，程序燒寫通過51開發板進行，這里不再另外增加電路。最小系統電路如圖5所示。

由于單片機P0口內部不帶上拉，所以，如果做I/O口使用需額外加上拉電阻。晶振選擇頻率為12M的石英晶振。

3.5 顯示電路

本系統使用4位共陽數碼管作為顯示器件，設計電路如圖6所示。

它的8個發光二極管的陽極（二極管正端）連接在一起，通常公共陽極接高電平，其它管腳接段驅動電路輸出端。當某段驅動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根據發光字段的不同組合可顯示出各種數字或字符。此時，要求段驅動電路能吸收額定的段導通電流，還需根據外接電源及額定段導通電流來確定相應的限流電阻大小，本設計的限流電阻選520Ω。

3.6 報警電路

報警電路使用蜂鳴器和發光二極管進行超限聲光報警，電路如圖7所示。

3.7 硬件原理圖

本設計是以額定電壓為100V的手搖兆歐表為載體，采用單片機為核心技術的電壓顯示報警裝置，用兆歐表輸出的電壓經過一個開關電源模塊和7805兩級降壓之后為系統供電，采樣電路是采用多電阻串聯分壓，A/D轉換電路，顯示電路，報警電路幾個模塊組成的電路，硬件原理圖如圖8所示。

4 系統軟件設計

本設計程序主要有顯示子程序、A/D轉換子程序、報警子程序3大部分組成。系統控制要求為：A/D轉換器負責將兆歐表輸出的電壓轉換為數字量供單片機處理，數碼管實時顯示兆歐表輸出電壓，單片機判斷電壓是否在兆歐表額定輸出電壓的±10%范圍之內，如果超限，隨即報警。

主程序流程如圖9所示。主程序設計思路簡單易實現，首先選通A/D轉換器，使其開始工作，然后按單片機位精度、采樣比例1∶25轉換為實際的輸出電壓，由于A/D轉換器為八位、參考電壓5V，所以其精度為5/255，則實際輸出電壓為U=A/D輸出值×（5/255）×25。然后，一方面將此電壓值送于顯示子程序實時顯示，另一方面將此電壓值和額定輸出電壓值的±10%進行比較，如果電壓值不在范圍，隨即驅動聲光報警電路，發出報警信號，引起使用者的注意。

結論

本設計以100V兆歐表為載體，通過理論分析驗證了兆歐表電壓實時顯示方案的可行性。設計器具的電壓直接取至兆歐表輸出電壓，為其便攜性和易安裝提供了可能；電壓采樣電路的精密電阻和電壓跟隨器保證了采樣的準確性；電壓顯示及報警確保電壓超限能夠一目了然；51單片機作為核心控制器件，保證了整個系統能夠協同工作。

參考文獻

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